CN108645819A - 一种用于团雾报警的后向散射探测仪 - Google Patents

一种用于团雾报警的后向散射探测仪 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于团雾报警的后向散射探测仪，其包括外壳、激光发射模块、后向散射光探测模块和信号探测处理模块；外壳一侧壁设有光学玻璃窗口；激光发射模块匹配位于光学玻璃窗口的上方一侧，其包括激光器、圆偏振器和扩束镜；后向散射光探测模块匹配位于激光发射模块的下方一侧，其包括接收望远镜、聚焦透镜、准直透镜、四分之一波片、带通滤光片、偏振分束棱镜、S光聚焦透镜和P光聚焦透镜；信号探测处理模块匹配位于后向散射光探测模块的上方一侧，其包括S光探测器、P光探测器、信号放大电路板和信号采集处理板。本发明通过分辨空气中气溶胶粒子相态的方法进行团雾探测，通过识别粒子相态、结合当前能见度准确实时进行团雾报警。

Description

一种用于团雾报警的后向散射探测仪
技术领域
本发明属于环境监测技术领域，具体涉及一种用于团雾报警的后向散射探测仪。
背景技术
团雾通常出现在高速公路沿线，给行车带来极大的安全隐患。为了避免因团雾引发的交通事故，需要在团雾出现后及时进行报警，控制行车的速度和流量。当前高速公路通常通过安装能见度仪，在能见度低的时候进行报警。但是由于能见度低也可能是由于霾、沙尘引起，与团雾出现的规律和引起的效果并不一致，容易出现误判，从而影响高速路的通行效率，造成一定的经济损失。另外，由于雾的生消变化很快，有时能见度从几千米降到几十米只需几分钟，人工观测很难及时发现并采取相应管理措施，需实现自动实时监测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构设计简单、合理，通过分辨空气中气溶胶粒子相态的方法进行团雾探测，通过识别粒子相态、结合当前能见度准确实时进行团雾报警的用于团雾报警的后向散射探测仪。
本发明的技术方案如下：
上述的用于团雾报警的后向散射探测仪，包括外壳以及安装于所述外壳内部的激光发射模块、后向散射光探测模块和信号探测处理模块；所述外壳一侧壁设有光学玻璃窗口；所述激光发射模块匹配位于所述光学玻璃窗口的上方一侧，其包括激光器、圆偏振器和扩束镜；所述圆偏振器匹配设置于所述激光源的光源发射口处；所述扩束镜匹配设置于所述圆偏振器的光束输出侧；所述扩束镜的光束透过所述光学玻璃窗口向外射出；
所述后向散射光探测模块匹配位于所述激光发射模块的下方一侧，其包括接收望远镜、聚焦透镜、准直透镜、带通滤光片、四分之一波片、偏振分束棱镜、S光聚焦透镜和P光聚焦透镜；所述接收望远镜靠近所述光学玻璃窗口的下方内侧；所述光源聚焦透镜匹配设置于所述接收望远镜的光束输出侧；所述准直透镜匹配设置于所述光源聚焦透镜的光束输出侧；所述带通滤光片匹配设置于所述准直透镜的光束输出侧；所述四分之一波片匹配设置于所述带通滤光片的光束输出侧；所述偏振分束棱镜匹配设置于所述四分之一波片的光束输出侧；所述S光聚焦透镜匹配设置于所述偏振分束棱镜的上方光束输出侧；所述P光聚焦透镜匹配设置于所述偏振分束棱镜的水平光束输出侧；
所述信号探测处理模块匹配位于所述后向散射光探测模块的上方一侧，其包括S光探测器、P光探测器、信号放大电路板和信号采集处理板；所述S光探测器匹配设置于所述S光聚焦透镜的上方光束输出侧；所述P光探测器匹配设置于所述P光聚焦透镜的水平光束输出侧；所述信号放大电路板分别与所述S光探测器和P光探测器电连接；所述信号采集处理板与所述信号放大电路板电连接。
所述用于团雾报警的后向散射探测仪，其中：所述激光源为850nm波长的二极管激光器，光谱宽度不大于2nm，光束准直输出，输出光功率不小于200mW。
所述用于团雾报警的后向散射探测仪，其中：所述圆偏振器由一片偏振片和一片四分之一波片组成。
所述用于团雾报警的后向散射探测仪，其中：所述带通滤光片的中心波长850nm，带宽10nm，透光率90％以上。
所述用于团雾报警的后向散射探测仪，其中：所述偏振分束棱镜为薄膜干涉型偏振分束镜。
所述用于团雾报警的后向散射探测仪，其中：所述S光探测器和P光探测器均采用PIN光电二极管或雪崩光电二极管。
所述用于团雾报警的后向散射探测仪，其中：所述信号采集处理板采用两路AD并行采样，采样率10Msps，A/D位数14bits。
有益效果：
本发明用于团雾报警的后向散射探测仪结构设计简单、合理，通过分辨空气中气溶胶粒子相态的方法进行团雾探测，通过识别粒子相态、结合当前能见度准确实时进行团雾报警；同时，使用圆偏振光照射粒子产生的后向散射光的圆偏振方向对云粒子的相态进行探测分析，能有效的在大粒子浓度情况下区分出空气中气溶胶颗粒的相态，进而结合能见度判定是否出现团雾。
附图说明
图1为本发明用于团雾报警的后向散射探测仪的结构示意图；
图2为本发明用于团雾报警的后向散射探测仪的发射光束偏振态变换示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
如图1所示，本发明用于团雾报警的后向散射探测仪，包括外壳1、激光发射模块2、后向散射光探测模块3和信号探测处理模块4。
该外壳1具有容置空间且一侧壁设有光学玻璃窗口11。
该激光发射模块2设置于该外壳1内侧且位于光学玻璃窗口11上方一侧，其包括激光器21、圆偏振器22和扩束镜23。其中，该激光源21为850nm波长的二极管激光器，光谱宽度不大于2nm，光束准直输出，输出光功率不小于200mW；该圆偏振器22匹配设置于该激光源21的光源发射口处，其由一片偏振片和一片四分之一波片组成；该扩束镜23匹配设置于该圆偏振器22的光束输出侧，该扩束镜23的光束透过光学玻璃窗口11射出。
该后向散射光探测模块3也设置于该外壳1内侧且匹配位于该激光发射模块2下方一侧，其包括接收望远镜31、光源聚焦透镜32、准直透镜33、带通滤光片34、四分之一波片35、偏振分束棱镜36、S光聚焦透镜37和P光聚焦透镜38。其中，该接收望远镜31靠近光学玻璃窗口11下方内侧；该光源聚焦透镜32匹配设置于该接收望远镜31的光束输出侧；该准直透镜33匹配设置于该光源聚焦透镜32的光束输出侧；该带通滤光片34匹配设置于该准直透镜33的光束输出侧，其中心波长850nm，带宽10nm，透光率90％以上；该四分之一波片35匹配设置于该带通滤光片34的光束输出侧；该偏振分束棱镜36匹配设置于该四分之一波片35的光束输出侧，其为薄膜干涉型偏振分束镜；该S光聚焦透镜37匹配设置于该偏振分束棱镜36的上方光束输出侧；该P光聚焦透镜38匹配设置于该偏振分束棱镜36的水平光束输出侧。
该信号探测处理模块4也设置于该外壳1内侧且匹配位于该后向散射光探测模块3上方一侧，其包括S光探测器41、P光探测器42、信号放大电路板43和信号采集处理板44。其中，该S光探测器41匹配设置于该S光聚焦透镜37的上方光束输出侧；该P光探测器42匹配设置于该P光聚焦透镜38的水平光束输出侧；该S光探测器41和P光探测器42可采用PIN光电二极管或雪崩光电二极管。该信号放大电路板43设置于该S光探测器41的上方，其分别与S光探测器41和P光探测器42电连接。该信号采集处理板44设置于该信号放大电路板43的上方且与信号放大电路板43电连接；该信号采集处理板17采用两路AD并行采样，采样率10Msps，A/D位数14bits。
本发明用于团雾报警的后向散射探测仪的工作原理：
激光源21发射的准直光束通过圆偏振器22变成圆偏振光，光束经扩束镜23扩束后从光学玻璃窗口11发射到空气中，空气中的气溶胶粒子5(气溶胶粒子5的相态通过比较后向散射光和发射激光的圆偏振方向确定，用于计算能见度的大气线性消光系数由后向散射光的强度总和确定.)穿过光束产生散射光，一定散射角范围内的后向散射光被接收望远镜31收集，然后通过聚焦透镜32、准直透镜33和带通滤光片34成平行光，平行光首先通过四分之一波片35分解为两束偏振方向相互垂直的线偏振光，即S光和P光，然后通过偏振分束棱镜36将S光和P光沿相互垂直的方向射出，水平射出的P光被P光聚焦透镜38汇聚到P光探测器42上，竖直射出的S光被S光聚焦透镜37汇聚到S光探测器41上，P光探测器42和S光探测器41输出信号通过信号放大电路板43放大，最后分别进入信号采集处理板43进行高速采样和分析计算。
本发明的理论原理如下；
团雾本质上也是雾，主要由水汽构成，因此主要为球形颗粒，而霾中主要成分为非球形颗粒；激光器21发射产生左旋或右旋圆偏振光束，由球形颗粒后向散射光的圆偏振分量沿与激光束圆偏振方向相反的方向旋转；对于非球形颗粒，后向散射光的圆偏振分量的旋转方向与激光束圆偏振方向保持一致。圆偏振方法对多重散射不太敏感，无论消光系数的大小如何，后向散射的圆偏振分量对于球形和非球形的粒子都具有不同的旋转方向；使用圆偏振分量的旋转方向而不是线性消偏振测量的优点是对于单个和多重散射都可以区分球形和非球形散射体。
下面结合气溶胶粒子的相态探测分析，以对本发明作进一步描述：
如图2所示，激光源21发射的激光通过圆偏振器22变成左旋圆偏振光，四分之一波片35的快轴与x轴方向成+45°放置；如果气溶胶粒子5主要为液态成分，则后向散射光为右旋圆偏振光。
左旋圆偏振光的琼斯矢量为
右旋圆偏振光的琼斯矢量为
四分之一波片10的琼斯矩阵为
右旋圆偏振光通过四分之一波片35后，透射光的琼斯矢量等于变成偏振方向沿x轴的线偏振光；
上述的线偏振光成为P光，通过偏振分束棱镜36直射进入P光探测器42，无光进入S光探测器41，这种情况下可以判断出后向散射光为右旋圆偏振光，对应的气溶胶粒子为液态小颗粒。
如果气溶胶粒子5主要为液态成分，则后向散射光为右旋圆偏振光，通过相同角度放置四分之一波片35后，变成偏振方向沿x轴的线偏振光，即P光通过偏振分束棱镜36后进入P光探测器42，无光进入S光探测器41，这种情况下可以判断出后向散射光为右旋圆偏振光，对应的气溶胶粒子为液态。
发射的左旋圆偏振光在散射时可能出现退偏，后向散射光为椭圆偏振光，在这种情况下，如果气溶胶粒子5主要为液态成分，则后向散射光中圆偏振分量为右旋圆偏振，最终进入P光探测器42的光功率占优；如果气溶胶粒子5主要为固态成分，则后向散射光中圆偏振分量仍然为左旋圆偏振，最终进入S光探测器41的光功率占优；采用上述方法同样可以准确判断气溶胶粒子的相态。
通过测量S光和P光的强度总和，计算大气线性消光系数，进而通过柯西米德定律计算得到等效白天能见度；结合气溶胶粒子相态和等效白天能见度，能够判断是否出现团雾。
上述分析是利用圆偏振光照射粒子产生的后向散射光的圆偏振方向对气溶胶粒子的相态进行探测分析，能有效的在大粒子浓度即大雾天气情况下区分气溶胶粒子的相态，实现“团雾”预警。
本发明构设计简单、合理，通过分辨空气中气溶胶粒子相态的方法进行团雾探测，通过识别粒子相态、结合当前能见度准确实时进行团雾报警。
按照上述实施例，便可很好地实现本发明。值得说明的是，基于上述设计原理的前提下，为解决同样的技术问题，即使在本发明所公开的结构基础上做出的一些无实质性的改动或润色，如改变激光器波长、圆偏振光产生方式、圆偏振光的旋转方向、散射光收集范围等改动，所采用的技术方案的实质仍然与本发明一样，故其也应当在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种用于团雾报警的后向散射探测仪，其特征在于：所述探测仪包括外壳以及安装于所述外壳内部的激光发射模块、后向散射光探测模块和信号探测处理模块；
所述外壳一侧壁设有光学玻璃窗口；
所述激光发射模块匹配位于所述光学玻璃窗口的上方一侧，其包括激光器、圆偏振器和扩束镜；所述圆偏振器匹配设置于所述激光源的光源发射口处；所述扩束镜匹配设置于所述圆偏振器的光束输出侧；所述扩束镜的光束透过所述光学玻璃窗口向外射出；
所述后向散射光探测模块匹配位于所述激光发射模块的下方一侧，其包括接收望远镜、聚焦透镜、准直透镜、带通滤光片、四分之一波片、偏振分束棱镜、S光聚焦透镜和P光聚焦透镜；所述接收望远镜靠近所述光学玻璃窗口的下方内侧；所述光源聚焦透镜匹配设置于所述接收望远镜的光束输出侧；所述准直透镜匹配设置于所述光源聚焦透镜的光束输出侧；所述带通滤光片匹配设置于所述准直透镜的光束输出侧；所述四分之一波片匹配设置于所述带通滤光片的光束输出侧；所述偏振分束棱镜匹配设置于所述四分之一波片的光束输出侧；所述S光聚焦透镜匹配设置于所述偏振分束棱镜的上方光束输出侧；所述P光聚焦透镜匹配设置于所述偏振分束棱镜的水平光束输出侧；
所述信号探测处理模块匹配位于所述后向散射光探测模块的上方一侧，其包括S光探测器、P光探测器、信号放大电路板和信号采集处理板；所述S光探测器匹配设置于所述S光聚焦透镜的上方光束输出侧；所述P光探测器匹配设置于所述P光聚焦透镜的水平光束输出侧；所述信号放大电路板分别与所述S光探测器和P光探测器电连接；所述信号采集处理板与所述信号放大电路板电连接。
2.如权利要求1所述的用于团雾报警的后向散射探测仪，其特征在于：所述激光源为850nm波长的二极管激光器，光谱宽度不大于2nm，光束准直输出，输出光功率不小于200mW。
3.如权利要求1所述的用于团雾报警的后向散射探测仪，其特征在于：所述圆偏振器由一片偏振片和一片四分之一波片组成。
4.如权利要求1所述的用于团雾报警的后向散射探测仪，其特征在于：所述带通滤光片的中心波长850nm，带宽10nm，透光率90％以上。
5.如权利要求1所述的用于团雾报警的后向散射探测仪，其特征在于：所述偏振分束棱镜为薄膜干涉型偏振分束镜。
6.如权利要求1所述的用于团雾报警的后向散射探测仪，其特征在于：所述S光探测器和P光探测器均采用PIN光电二极管或雪崩光电二极管。
7.如权利要求1所述的用于团雾报警的后向散射探测仪，其特征在于：所述信号采集处理板采用两路AD并行采样，采样率10Msps，A/D位数14bits。
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